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喬珺威在Int. J. Plast.成果：非晶復(fù)合材料中成分設(shè)計的理論模型——類霍爾佩奇關(guān)系

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期：2018-05-03  瀏覽次數(shù)：4163
          相比于傳統(tǒng)晶態(tài)合金，由于長程無序的原子結(jié)構(gòu)，塊體非晶合金具有諸多獨特的力學(xué)性能，例如高的屈服強度與硬度、大的彈性極限、優(yōu)異的抗腐蝕性能和耐磨性能等。然而，在室溫準(zhǔn)靜態(tài)拉伸的載荷下，由于高度局域化剪切帶的形核并快速擴展，塊體非晶合金通常表現(xiàn)為災(zāi)難性的脆性斷裂。

       為了改善這一限制非晶合金應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程材料的缺點，近年來在非晶合金中引入具有韌性的晶體第二相來阻礙主剪切帶的快速擴展以及促使多重剪切帶的形成，制備出兼顧高強度和高韌性的晶體相增韌的非晶復(fù)合材料。

       日前，太原理工大學(xué)喬珺威教授(通訊作者)在International Journal of Plasticity上發(fā)表了一篇名為 " Universally scaling Hall-Petch-like relationship in metallic glass matrix composites" 的文章。

       研究論文討論了非晶復(fù)合材料中一般性的規(guī)律，即類霍爾佩奇關(guān)系。本課題選取由位錯滑移機制為主導(dǎo)塑性的、樹枝晶增韌的非晶復(fù)合材料，建立起非晶復(fù)合材料中位錯塞積模型。通過對樹枝晶中位錯運動具體過程和位錯間相互作用力的分析，結(jié)合非晶復(fù)合材料特殊的結(jié)構(gòu)特征，推導(dǎo)出屈服強度與樹枝晶尺寸的定量關(guān)系。

       并且利用平均場理論，大數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析非晶復(fù)合材料成分-微觀組織結(jié)構(gòu)間的定量關(guān)聯(lián)。對樹枝晶枝晶臂的尺寸進行統(tǒng)計，并將成分參量引入，預(yù)測成分參量對于樹枝晶枝晶臂直徑的累計概率密度分布的影響。提出累計概率密度分布的臨界值，建立起成分參量與此體系下非晶復(fù)合材料枝晶尺寸臨界值的關(guān)系，從而達到預(yù)測枝晶尺寸的目的。

       基于以上兩點考慮，可以構(gòu)建出成分-組織-屈服的定量函數(shù)關(guān)系，從而做到對內(nèi)生非晶復(fù)合材料進行成分設(shè)計。

 

圖1：樹枝晶增韌非晶復(fù)合材料結(jié)構(gòu)特征

圖1 (a)非晶復(fù)合材料鑄態(tài)的掃描圖；(b)復(fù)合材料的XRD圖譜；(c)和(d)分別是樹枝晶和非晶基體的選取電子衍射圖譜

       作為模型材料，名義成分是Ti50Zr20V10Cu5Be15 (atom%)是一種典型的樹枝晶增韌的非晶復(fù)合材料。晶體第二相彌散分布在成片的非晶基體上。


圖2：非晶復(fù)合材料中位錯塞積模型

圖2 (a)是拉伸變形后樣品的TEM明場像；(b) 非晶復(fù)合材料中位錯塞積示意圖

       非晶復(fù)合材料在變形過程中，樹枝晶中產(chǎn)生位錯滑移并塞積于兩相界面處。當(dāng)作用于界面處的切應(yīng)力達到非晶基體的臨界面型切應(yīng)力后，非晶中剪切帶形核并快速擴展，并將應(yīng)力傳遞至下一個晶粒中，引起位錯滑移。


圖3：內(nèi)生非晶復(fù)合材料體系中的類霍爾佩奇關(guān)系

圖3 非晶復(fù)合材料屈服強度與樹枝晶枝晶臂直徑負(fù)二分之一次冪的線性關(guān)系圖

       對于眾多的內(nèi)生非晶復(fù)合材料體系，例如鈦基、鋯基、鎂基與鑭基，并且在不同的樣品制備方法中，例如銅模吸鑄和定向凝固，這種類霍爾佩奇關(guān)系都被證實是成立的。


圖4：平均場理論構(gòu)建成分組織關(guān)系

圖4(a) Ti-Zr-V-Cu-Be體系的非晶復(fù)合材料樹枝晶枝晶臂直徑的累計概率密度分布圖；(b)屈服強度與成分參數(shù)的曲線。

       利用平均場理論，即通過對同一體系非晶復(fù)合材料晶粒尺寸進行大數(shù)據(jù)統(tǒng)計，并將成分參量引入，便可以得到組織與成分參量間的定量函數(shù)關(guān)系。

       將此函數(shù)關(guān)系結(jié)合類霍爾佩奇關(guān)系，建立起了成分參量與此體系下非晶復(fù)合材料屈服強度的關(guān)系。

       制備內(nèi)生非晶復(fù)合材料的方式可以提高非晶合金的塑性變形能力。而為了得到綜合性能更加優(yōu)異的復(fù)合材料，需要衡量晶體第二相的加入對性能的影響。本研究成功構(gòu)建出非晶復(fù)合材料中成分-組織-性能的定量關(guān)系，為內(nèi)生非晶復(fù)合材料的成分設(shè)計提供了理論參考。

        喬珺威，太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，材料科學(xué)與工程學(xué)院副院長，亞穩(wěn)態(tài)金屬材料研究團隊負(fù)責(zé)人。

特別提示：本信息由相關(guān)企業(yè)自行提供，真實性未證實，僅供參考。請謹(jǐn)慎采用，風(fēng)險自負(fù)。


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